Antibiotic resistance in bacteria is acquired through spontaneous chromosomal mutations or horizontal gene transfer. In the absence of antibiotics, resistant mutants generally show reduced fitness due to compromised growth rate, competitive ability and virulence compared to their antibiotic-sensitive ancestors. The focus of my research is to dissect the molecular underpinnings of the variations in the fitness cost of chromosomal antibiotic resistance using a systems-level approach. From an evolutionary perspective, my research aims are to understand how the fitness cost influences adaptation in resistant populations in an antibiotic-free environment. Using rifampicin resistance in Pseudomonas aeruginosa as a model, my work shows that most of the variation in the fitness cost of rifampicin resistance can be attributed to the direct effect of rifampicin resistance mutations on transcriptional efficiency. Through RNA-Seq transcriptome profiling, I demonstrate that global changes in gene expression levels associated with resistance mutations are surprisingly subtle, suggesting that the transcriptional regulatory network of P. aeruginosa is robust against compromised transcriptional efficiency. Using experimental evolution and whole-genome sequencing, my work reveals a systematic difference in the genetic basis of adaptation in mutants that were propagated in the absence of antibiotics. During compensatory adaptation, resistant mutants can recover the fitness cost of resistance by fixing second-site mutations that directly offset the deleterious effects of resistance mutations. Amongst resistant mutant populations with low fitness costs, general adaptation limits compensatory adaptation, which is most likely to be due to the rarity of compensatory mutations and clonal interference. Far from being the most ubiquitous mechanism in the evolution of resistance, compensatory adaptation is the exception that is more likely to be observed in resistant mutants with high fitness costs. In addition, I applied key elements of the integrative experimental approach developed in this work to dissect the molecular basis of the fitness cost associated with carriage of the pNUK73 small plasmid in P. aeruginosa, which carries the rep gene encoding a plasmid replication protein. My results confirmed that rep expression generates a significant fitness cost in P. aeruginosa and demonstrate how the molecular origins of the fitness cost of resistance can be dissected in a different biological context.

Tesis por compendio / [ES] La evolución experimental nos permite comprobar postulados teóricos y realizar observaciones que ayuden a incrementar nuestro conocimiento sobre la evolución. Este trabajo tiene como objetivo estudiar la evolución de los virus utilizando enfoques experimentales. Los virus muestran una alta capacidad de evolución, lo que los convierte en modelos perfectos para abordar cuestiones evolutivas con bastante rapidez. Los procesos subyacentes a la evolución y adaptación de los patógenos se rigen por muchos factores: desde la naturaleza intrínseca del virus hasta componentes ambientales que afectan al hospedador, al patógeno y la interacción entre ambos. En esta tesis utilizamos un patosistema formado por una planta y un potyvirus (virus de (+)ssRNA) para explorar cómo diferentes factores bióticos y abióticos modulan la evolución del virus. Primero, exploramos los efectos biológicos de las mutaciones en una proteína del potyvirus, la cual es un componente esencial del complejo de replicación viral. Revelamos las limitaciones evolutivas que operan sobre esta proteína, y que son consecuencia de un equilibrio evolutiva entre la acumulación dentro del huésped y la gravedad de los síntomas. En segundo lugar, examinamos los efectos de la estructura genética de la población del huésped sobre la evolución del virus: evolucionamos virus en poblaciones genéticamente homogéneas de plantas con diferentes susceptibilidades a la infección y en una población heterogénea. Con este trabajo ilustramos cómo la diversidad genética de huéspedes en un ecosistema afecta la adaptación del virus, ya que los virus se especializaron más rápidamente en poblaciones homogéneas pero fueron más patógenos en poblaciones heterogéneas. Finalmente, estudiamos el impacto del ambiente sobre la interacción virus-planta. Para esta parte, primero revisamos los posibles efectos beneficiosos de la infección por virus en ciertos entornos hostiles para la planta. Posteriormente estudiamos el efecto de la sequía, una condición ambiental con una incidencia cada vez mayor y que se sabe afecta la fisiología del huésped. Por lo tanto, evolucionamos un virus en huéspedes bajo condiciones de sequía o de riego abundante. Los virus adaptados en condiciones de sequía conferían una mayor tolerancia a la sequía a la planta huésped a través de alteraciones específicas en la expresión génica del huésped y la señalización hormonal. En general, esta tesis contribuye al aumento del conocimiento en biología evolutiva de los virus de ARN de plantas. / [CA] L'evolució experimental ens permet comprovar postulats teòrics i realitzar observacions que ajuden a incrementar el nostre coneixement sobre l'evolució. Aquest treball té com a objectiu estudiar l'evolució dels virus utilitzant enfocaments experimentals. Els virus mostren una alta capacitat d'evolució, la qual cosa els converteix en models perfectes per a abordar qüestions evolutives amb bastant rapidesa. Els processos subjacents a l'evolució i adaptació dels patògens es regeixen per molts factors: des de la naturalesa intrínseca del virus fins a components ambientals que afecten l'hoste, al patogen i la interacció entre tots dos. En aquesta tesi utilitzem un patosistema format per una planta i un potyvirus (virus de (+)ssRNA) per a explorar com diferents factors biòtics i abiòtics modulen l'evolució del virus. Primer, explorem els efectes biològics de les mutacions en una proteïna del potyvirus, la qual és un component essencial del complex de replicació viral. Revelem les limitacions evolutives que operen sobre aquesta proteïna, i que són conseqüència d'un equilibri evolutiva entre l'acumulació dins de l'hoste i la gravetat dels símptomes. En segon lloc, examinem els efectes de l'estructura genètica de la població de l'hoste sobre l'evolució del virus: evolucionem virus en poblacions genèticament homogènies de plantes amb diferents susceptibilitats a la infecció i en una població heterogènia. Amb aquest treball il·lustrem com la diversitat genètica d'hostes en un ecosistema afecta l'adaptació del virus, ja que els virus es van especialitzar més ràpidament en poblacions homogènies però van ser més patògens en poblacions heterogènies. Finalment, estudiem l'impacte de l'ambient sobre la interacció virus-planta. Per a aquesta part, primer revisem els possibles efectes beneficiosos de la infecció per virus en uns certs entorns hostils per a la planta. Posteriorment estudiem l'efecte de la sequera, una condició ambiental amb una incidència cada vegada major i que se sap afecta la fisiologia de l'hoste. Per tant, evolucionem un virus en hostes sota condicions de sequera o de reg abundant. Els virus adaptats en condicions de sequera conferien una major tolerància a la sequera a la planta hoste a través d'alteracions específiques en l'expressió gènica de l'hoste i la senyalització hormonal. En general, aquesta tesi contribueix a l'augment del coneixement en biologia evolutiva dels virus d'ARN de plantes. / [EN] Experimental evolution allows us to test theoretical postulates and make observations that help increase our knowledge about Evolution. This work aims to use experimental approaches to study the evolution of viruses. Viruses have a high degree of evolvability, which makes them perfect subjects to address evolutionary questions quite rapidly. The underlying processes of pathogen evolution are governed by many factors. These factors can be affecting the virus adaptation at different levels: from the intrinsic virus nature to environmental factors affecting the host, the pathogen and the interaction between both. In this thesis, we used a pathosystem formed by a plant and a potyvirus (+ssRNA virus). Using this pathosystem we have explored how different factors modulate the virus evolution. First, we explored the biological effects of mutations in a potyvirus protein that is an essential component of the virus replication complex. We unveiled the evolutionary constraints on this viral protein, with an evolutionary tradeoff between within-host accumulation and severity of symptoms. Second, we examined the effects of the host population genetic structure on virus evolution: we evolved viruses in homogeneous populations of plants with different viral susceptibilities and in a heterogeneous population. With this work we illustrated how the genetic diversity of hosts in an ecosystem affects virus adaptation, as viruses specialized faster in homogeneous populations but were more pathogenic in heterogeneous ones. Finally, we studied the impact of the environment. For this part we first reviewed the possible beneficial effects of virus infection under certain environments. Afterwards we studied the effect of drought, an environmental condition with a predicted increased incidence and known to affect the host physiology. Therefore, we evolved a virus in host under either well-watered or drought conditions. The viruses adapted under drought conditions conferred an increased drought tolerance to the host plant through specific alterations in host gene expression and hormonal signaling. Overall, this thesis contributed to the increase in knowledge in evolutionary biology of plant RNA viruses. / González Miguélez, R. (2021). Virus Adaptation at Different Levels: Study on the Evolutionary Effects of Mutations, Host Population Genetic Structure and Environmental Factors in Potyviruses [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178154 / TESIS / Compendio

Sexually selected traits may also be subject to non-sexual selection. If optimal trait values depend on environmental conditions, then “narrow sense” (i.e., non-sexual) natural selection can lead to local adaptation, with fitness in a certain environment being highest among individuals selected under that environment. Such adaptation can, in turn, drive ecological speciation via sexual selection. To date, most research on the effect of narrow-sense natural selection on sexually selected traits has focused on precopulatory measures like mating success. However, postcopulatory traits, such as sperm function, can also be under non-sexual selection, and have the potential to contribute to population divergence between different environments. Here, we investigate the effects of narrow-sense natural selection on male postcopulatory success in Drosophila melanogaster. We chose two extreme environments, low oxygen (10%, hypoxic) or high CO₂ (5%, hypercapnic) to detect small effects. We measured the sperm defensive (P1) and offensive (P2) capabilities of selected and control males in the corresponding selection environment and under control conditions. Overall, selection under hypoxia decreased both P1 and P2, while selection under hypercapnia had no effect. Surprisingly, P1 for both selected and control males was higher under both ambient hypoxia and ambient hypercapnia, compared to control conditions, while P2 was lower under hypoxia. We found limited evidence for local adaptation: the positive environmental effect of hypoxia on P1 was greater in hypoxia-selected males than in controls. We discuss the implications of our findings for the evolution of postcopulatory traits in response to non-sexual and sexual selection.

Viruses constitute the vast majority of all biological entities in the biosphere and represent one of the biggest reservoirs of undetected genetic diversity on Earth. Of all the viral particles inhabiting the ocean, phages are the most abundant and can affect the overall microbial composition of marine ecosystems and the dynamics of global biogeochemical cycles. The interaction between prokaryotic cells and their phages is among the oldest and most intertwined host-parasite relationships on the planet. It has been extensively studied by culture, molecular biology, and experimental evolution. However, due to the difficulties of culture with environmental samples, only a few studies have analyzed the mechanisms of phage-host interaction in the marine environment. Here, we have studied the genes involved in viral host recognition and their evolutionary dynamics by focusing on two species of the marine copiotrophic bacterium Alteromonas and several phages infecting them. We described the genomic and morphological characterization of the first Alteromonas phage belonging to the Myoviridae family (Alteromonas myovirus V22) that was isolated in coastal waters of the Mediterranean Sea, and we identified its receptor-binding protein (RBP) used for host recognition by combining fluorescence microscopy and spectrometry. In addition, using size-exclusion chromatography, we showed how this protein required co-expression with a downstream protein to be functional, which later was identified as a new type of intermolecular chaperone crucial for RBP maturation. We also identified a conserved host recognition module in V22 and other unrelated alterophages belonging to different viral families and with completely different morphologies, suggesting horizontal gene transfer between the ancestors of these phages. Furthermore, we described the first coevolution study of a host-parasite system performed with Alteromonas using a metagenomics-like approach. Finally, we analyzed the micro- and macrodiversity of an alterophage population that was able to survive over a long period of time and showed remarkable genomic stability, indicating stable interactions over time between phage-host recognition structures. Overall, this study has contributed to extend the knowledge of known phage-host recognition mechanisms present in the marine ecosystem and has provided a first glimpse of the evolutionary dynamics in phages infecting Alteromonas.

Inspired by Gould, who claimed life would be arriving at a different outcome each time it were allowed to run from the same beginning, I have attempted to determine the repeatability of the adaptive course of one Pseudomonas fluorescens lineage. In addition, my study aimed to establish whether the likelihood of parallel evolution of the two synonymous single-nucleotide substitutions was contingent upon a prior motility-impairing deletion or a prior increase in fitness. Further, the study was designed to provide empirical data addressing the long-standing question of the effect of starting fitness on the ensuing rate of adaptation. Although no exact replay of the initial evolutionary trajectory was observed, I have demonstrated that gtsB, but not gtsC gene, is likely to be a mutational hotspot under the low glucose with a recovery of two undescribed mutations in gtsB. My data are consistent with a notion that substitutions in gtsB may be contingent upon Δ35kB(fliJ-PFLU4466) motility-impairing deletion, but not the fitness increase associated with it. Finally, the features of the adaptive landscape of P. fluorescens in the minimal glucose provide languid support for Fisher’s hypothesis of a decrease in adaptation rate with the rise in the starting fitness. Taken together, these original results reinforce the non-negligible role of history in shaping the outcomes of biological evolution and call for caution in attempting a formulation of rigid predictive models of evolutionary change. Inspiré par les travaux de Stephen J. Gould qui affirmait que la vie sur terre arriverait à une forme différente si elle repartait à zéro, je présente ici mes travaux où je teste la reproductibilité du cours adaptatif d’une lignée expérimentale de Pseudomonas fluorescens. L’objectif de cette étude était de déterminer si la probabilité que deux mutations synonymes évoluent en parallèle est affectée par la présence d’une délétion affectant la motilité de la bactérie ou de l’augmentation de la valeur sélective de celle-ci. De plus, le design expérimental de cette étude permet de tester si la valeur sélective initiale d’une population affecte le taux d’adaptation de cette même population. Bien d’une reproductibilité exacte du cours adaptatif initial ne fut pas observée, je démontre que le gène gtsB est probablement un « hotspot »mutationnel permettant l’adaptation à de bas niveau de glucose, ayant trouvé deux mutations dans ce site; alors que le gène gtsC ne l’est pas. Mes données sont également conséquentes avec le fait que les mutation dans le gène gtsB dépendent de l’effet de la délétion Δ35kB(fliJ-PFLU4466) affectant la motilité de la bactérie, mais non de l’augmentation de la valeur sélective qui y est associée. Finalement, la forme du plateau adaptative associé à de bas niveaux de glucose chez P. fluorescens supporte l’hypothèse émise par Fisher qui stipule que le taux d’adaptation d’un organisme diminue avec la valeur sélective initiale qui y est associée. L’ensemble de ces résultats supporte le rôle non-négligeable de l’histoire de vie d’une population en ce qui attrait à l’évolution future de cette même population. Aussi, ces résultats appelle à la prudence quand vient le temps de formuler des modèles prédictifs des changements évolutifs d’une population.

Inspired by Gould, who claimed life would be arriving at a different outcome each time it were allowed to run from the same beginning, I have attempted to determine the repeatability of the adaptive course of one Pseudomonas fluorescens lineage. In addition, my study aimed to establish whether the likelihood of parallel evolution of the two synonymous single-nucleotide substitutions was contingent upon a prior motility-impairing deletion or a prior increase in fitness. Further, the study was designed to provide empirical data addressing the long-standing question of the effect of starting fitness on the ensuing rate of adaptation. Although no exact replay of the initial evolutionary trajectory was observed, I have demonstrated that gtsB, but not gtsC gene, is likely to be a mutational hotspot under the low glucose with a recovery of two undescribed mutations in gtsB. My data are consistent with a notion that substitutions in gtsB may be contingent upon Δ35kB(fliJ-PFLU4466) motility-impairing deletion, but not the fitness increase associated with it. Finally, the features of the adaptive landscape of P. fluorescens in the minimal glucose provide languid support for Fisher’s hypothesis of a decrease in adaptation rate with the rise in the starting fitness. Taken together, these original results reinforce the non-negligible role of history in shaping the outcomes of biological evolution and call for caution in attempting a formulation of rigid predictive models of evolutionary change. Inspiré par les travaux de Stephen J. Gould qui affirmait que la vie sur terre arriverait à une forme différente si elle repartait à zéro, je présente ici mes travaux où je teste la reproductibilité du cours adaptatif d’une lignée expérimentale de Pseudomonas fluorescens. L’objectif de cette étude était de déterminer si la probabilité que deux mutations synonymes évoluent en parallèle est affectée par la présence d’une délétion affectant la motilité de la bactérie ou de l’augmentation de la valeur sélective de celle-ci. De plus, le design expérimental de cette étude permet de tester si la valeur sélective initiale d’une population affecte le taux d’adaptation de cette même population. Bien d’une reproductibilité exacte du cours adaptatif initial ne fut pas observée, je démontre que le gène gtsB est probablement un « hotspot »mutationnel permettant l’adaptation à de bas niveau de glucose, ayant trouvé deux mutations dans ce site; alors que le gène gtsC ne l’est pas. Mes données sont également conséquentes avec le fait que les mutation dans le gène gtsB dépendent de l’effet de la délétion Δ35kB(fliJ-PFLU4466) affectant la motilité de la bactérie, mais non de l’augmentation de la valeur sélective qui y est associée. Finalement, la forme du plateau adaptative associé à de bas niveaux de glucose chez P. fluorescens supporte l’hypothèse émise par Fisher qui stipule que le taux d’adaptation d’un organisme diminue avec la valeur sélective initiale qui y est associée. L’ensemble de ces résultats supporte le rôle non-négligeable de l’histoire de vie d’une population en ce qui attrait à l’évolution future de cette même population. Aussi, ces résultats appelle à la prudence quand vient le temps de formuler des modèles prédictifs des changements évolutifs d’une population.

Over the last 100 years sexual selection has advanced into a vast field of theoretical and empirical research. While Darwin’s idea of female preference being an integral mechanism of sexual selection is no longer debated, our understanding of female preference is still very limited. For example, we know little about the genetic variation in female preference, and the costs of preference over and above the costs of mating with particular male phenotypes. Additionally, while costs of mate choice are well documented, the benefits of mate choice and their implications are still debated. For example, controversy exists over the inevitability of good gene benefits and their capability to promote adaptive sexual selection. Furthermore, the adaptiveness of sexual selection itself is debated. Our understanding of the traits involved in mate choice is also far from complete. Here I investigated aspects of sexual selection in Drosophila simulans, employing a range of behavioural approaches along with artificial selection and environmental manipulations. The findings presented here indicate that female preference can evolve when directly selected on, and that preference itself is not particularly costly. There was also no conclusive evidence for the good genes benefits of mate choice in D. simulans. These benefits are considered crucial in promoting the adaptiveness of sexual selection, and although we found sexual selection to be adaptive under some test conditions it was not adaptive in other conditions. Our investigations into traits involved in mate choice established sex-specific genetic variation in cuticular hydrocarbons and the genetic architecture of this trait was found to sex-specific evolution of cuticular hydrocarbons under natural and sexual selection. Additionally, we found that a secondary sexual character, the sex combs was positively allometric – just like most signalling and weapon traits, and there was no association between trait fluctuating asymmetry and trait size. These findings collectively indicate that sexual selection in D. simulans is consistent with classical models of this process.

L’utilisation de variétés de plantes porteuses de gènes majeurs de résistance a longtemps été une solution privilégiée pour lutter contre les maladies des plantes. Cependant, la capacité des agents pathogènes à s’adapter à ces variétés après seulement quelques années de culture rend nécessaire la recherche de résistances à la fois efficaces et durables. Les objectifs de cette thèse étaient (i) d’identifier chez la plante des régions génomiques contraignant l’évolution des agents pathogènes en induisant des effets de dérive génétique et (ii) d’étudier l’impact des forces évolutives induites par la plante sur la capacité d’adaptation des pathogènes aux résistances variétales, l’ambition étant par la suite d’employer au mieux ces forces pour limiter l’évolution des pathogènes. Le pathosystème piment (Capsicum annuum) – PVY (Potato virus Y) a été principalement utilisé pour mener ces travaux de recherche. Afin de répondre au premier objectif, une cartographie de QTL (quantitative trait loci) sur une population biparentale de piment et une étude de génétique d’association sur une core-collection de piments ont été réalisées. Ces deux approches ont permis de mettre en évidence des régions génomiques sur les chromosomes 6, 7 et 12 impliquées dans le contrôle de la taille efficace des populations virales lors de l’étape d’inoculation du virus dans la plante. Certains de ces QTL ont montré une action vis-à-vis du PVY et du CMV (Cucumber mosaic virus) tandis que d’autres se sont révélés être spécifiques d’une seule espèce virale. Par ailleurs,le QTL détecté sur le chromosome 6 co-localise avec un QTL précédemment identifié comme contrôlant l’accumulation virale et interagissant avec un QTL affectant la fréquence de contournement d’un gène majeur de résistance. Pour répondre au second objectif, une analyse de la corrélation entre l’intensité des forces évolutives induites par la plante et une estimation expérimentale de la durabilité du gène majeur a été réalisée. De l’évolution expérimentale de populations de PVY sur des plantes induisant des effets de dérive génétique, de sélection et d’accumulation virale contrastés a également été effectuée. Ces deux études ont démontré qu’une plante induisant une forte dérive génétique associée à une réduction de l’accumulation virale permettait de contraindre l’évolution des populations virales, voire d’entraîner leur extinction. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le déploiement de déterminants génétiques de la plante qui influenceraient directement le potentiel évolutif du pathogène et permettraient de préserver la durabilité des gènes majeurs de résistance. / Plants carrying major resistance genes have been widely used to fight against diseases. However, the pathogensability to overcome the resistance after a few years of usage requires the search for efficient and durable resistances.The objectives of this thesis were (i) to identify plant genomic regions limiting pathogen evolution by inducinggenetic drift effects and (ii) to study the impact of the evolutionary forces imposed by the plant on the pathogenability to adapt to resistance, the goal being to further use these forces to limit pathogen evolution. The pepper(Capsicum annuum) – PVY (Potato virus Y) pathosystem has been mainly used to conduct these researches.Regarding the first objective, quantitative trait loci (QTL) were mapped on a biparental pepper population andthrough genome-wide association on a pepper core-collection. These approaches have allowed the detection ofgenomic regions on chromosomes 6, 7 and 12 controlling viral effective population size during the inoculationstep. Some of these QTLs were common to PVY and CMV (Cucumber mosaic virus) while other were virusspecific.Moreover, the QTL detected on chromosome 6 colocalizes with a previously identified QTL controllingPVY accumulation and interacting with a QTL affecting the breakdown frequency of a major resistance gene.Regarding the second objective, a correlation analysis between the evolutionary forces imposed by the plant andan experimental estimation of the durability of a major resistance gene has been done. Experimental evolution ofPVY populations on plants contrasted for the levels of genetic drift, selection and virus accumulation they imposedhas also been performed. Both studies demonstrated that a plant inducing a strong genetic drift combined to areduction in virus accumulation limits virus evolution and could even lead to the extinction of the virus population.These results open new perspectives to deploy plant genetic factors directly controlling pathogen evolutionarypotential and could help to preserve the durability of major resistance genes.

La pourriture grise, causée par le champignon Botrytis cinerea, est l'une des principales maladies aériennes fongiques sur diverses cultures d’importance agronomique. La diversité génétique de B. cinerea est très forte et la capacité rapide d’adaptation de ce champignon à une pression sélective est également avérée. Ce champignon est ainsi capable de développer des résistances à une grande variété de composés fongicides de synthèse ou d'origine naturelle. Des méthodes alternatives de lutte ont de ce fait été développées ces dernières années : divers agents de lutte biologique (ALB) présentant différents modes d’actions ont été identifiés et pour certains d’entre eux commercialisés pour contrôler B. cinerea. Cependant la durabilité de la lutte biologique est un domaine encore très peu étudié. La perte d'efficacité d'un ALB pourrait résulter de la préexistence d’isolats moins sensibles de pathogènes dans les populations naturelles et/ou de la capacité de l’agent pathogène à produire, sous une pression de sélection continue exercée par l’ALB, des mutants ayant une sensibilité réduite. L'objectif global de la présente étude est d'évaluer le risque potentiel de perte d'efficacité de la lutte biologique vis-à-vis de B. cinerea. Dans cette étude, les efforts ont été concentrés sur la pyrrolnitrine, un antibiotique produit par divers ALBs, dont certains sont efficaces contre B. cinerea. Les objectifs spécifiques de l'étude étaient (i) d’évaluer la diversité de la sensibilité à la pyrrolnitrine au sein de la population naturelle de B. cinerea, (ii) d'estimer le risque de perte d'efficacité des ALBs produisant la pyrrolnitrine due à la pression de sélection exercée par la pyrrolnitrine et (iii) d'étudier le mécanisme de résistance à la pyrrolnitrine chez B. cinerea. Parmi 204 isolats de B. cinerea, une gamme importante de sensibilité à la pyrrolnitrine a été observée, avec un facteur de résistance de 8,4 entre l’isolat le plus sensible et l'isolat le moins sensible. La production de 20 générations successives pour 4 isolats de B. cinerea, sur des doses croissantes de pyrrolnitrine, a abouti au développement de mutants avec des niveaux élevés de résistance à l'antibiotique, et à une réduction in vitro de la sensibilité à la bactérie productrice de pyrrolnitrine Pseudomonas chlororaphis PhZ24. La comparaison entre les mutants résistants à la pyrrolnitrine et leurs parents sensibles pour la croissance mycélienne, la sporulation et l'agressivité sur plantes a révélé que la résistance à la pyrrolnitrine est associée à un fort coût adaptatif. Des observations cytohistologiques sur tomates ont confirmé que l’isolat sensible à la pyrrolnitrine attaque le pétiole rapidement et envahit la tige, alors que le mutant résistant à la pyrrolnitrine ne s'étend pas au-delà du pétiole. De plus, ce dernier mutant forme un mycélium anormal et des cellules ressemblant à des chlamydospores. Les résultats ont d'autre part révélé que les mutants de B. cinerea résistants à la pyrrolnitrine sont résistants au fongicide iprodione, suggérant ainsi qu'une pression exercée par la pyrrolnitrine sur le champignon conduit à une résistance au fongicide. Réciproquement, la production de générations successives sur iprodione conduit à une résistance à l'antibiotique. Afin d'étudier les déterminants moléculaires de la résistance de B. cinerea à la pyrrolnitrine, le gène histidine kinase Bos1, impliqué entre autres dans la résistance aux fongicides chez B. cinerea a été séquencé chez les souches sensibles et les mutants résistants. La comparaison des séquences a mis en évidence des mutations ponctuelles différentes chez les mutants de B. cinerea obtenus sur la pyrrolnitrine et ceux obtenus sur l'iprodione. De plus, les résistances à la pyrrolnitrine et à l'iprodione ne sont pas systématiquement associées à une mutation ponctuelle dans le gène Bos1. Enfin, aucune modification n'a été détectée dans la taille des allèles de neuf locus microsatellites quelle que soit la pression sélective exercée et quelle que soit le phénotype du mutant produit. Cette étude montre qu'un champignon pathogène des plantes est capable de développer progressivement une moindre sensibilité à un agent de lutte biologique mais que cette moindre sensibilité est associée à une forte perte de fitness / Gray mould, caused by Botrytis cinerea, is a severe disease on a wide range of crops. Disease control generally relies on chemicals, although biological control strategies have been intensively studied over the last decades. This pathogen can withstand a wide variety of fungitoxic compounds including fungicides and natural molecules. This capacity to adapt to different stress might, potentially, compromise the durability of biological control methods. The global purpose of that work was to estimate the potential of B. cinerea to overcome the efficacy of biological control agents. Knowledge on the potential development of resistance to biological control agents can help to devise or improve resistance management strategies. In this work, efforts have been focused on the antibiotic pyrrolnitrin produced by various bacteria described as potential biological control agents against B. cinerea. The specific objectives of the study were (i) to evaluate the diversity in susceptibility to pyrrolnitrin among natural population of B. cinerea, (ii) to estimate the risk of loss of efficacy of pyrrolnitrinproducing biological control agent due to selection pressure exerted by pyrrolnitrin and (iii) to study the mechanism of resistance to pyrrolnitrin in B. cinerea. An important range of sensitivity to pyrrolnitrin with an 8.4-fold difference in EC50 values between the most sensitive and the least sensitive isolates was observed within the 204 isolates tested. The production of 20 generations, for 4 isolates of B. cinerea, on increasing doses of pyrrolnitrin, resulted in the development of mutants of B. cinerea with high levels of resistance to the antibiotic and a reduced sensitivity in vitro to the pyrrolnitrin-producing Pseudomonas chlororaphis PhZ24. Comparison of the pyrrolnitrin-resistant mutants and their sensitive parent isolates for mycelial growth, sporulation and aggressiveness on plant tissues revealed that the high level of resistance to pyrrolnitrin has resulted in a high fitness cost. Additional cytohistological investigations revealed that while the sensitive isolate spread throughout the petiole and rapidly invaded the stem via the abscission zone, the pyrrolnitrinresistant mutant failed to extend beyond petiole to invade the stem. Moreover, the pyrrolnitrin-resistant mutant formed abnormal mycelium and chlamydospore-like cells. The comparison of resistance to pyrrolnitrin and to the iprodione fungicide in B. cinerea revealed that fungicide pressure exerted on the fungus is able to build-up resistance to pyrrolnitrin. Comparison of sequences of the osmosensing class III histidine kinase encoding gene bos1 revealed different mutations in pyrrolnitrin- and iprodione-resistant mutants. However, resistance to pyrrolnitrin and to iprodione was not systematically associated with a point mutation in the Bos1 gene. Finally, no changes were observed in the allele size at nine microsatellite loci whatever the four selective pressure endured by the fungus despite their phenotypic changes. This study provides evidence that a fungal plant pathogen is able to gradually build-up resistance to an antibiotic produced by a biocontrol agent

[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas. / [CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques. / [EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications. / Montagud Martínez, R. (2023). Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193030